世界首顆！聽聽量子衛星首席科學家怎麼說
千百年來，人類一直渴望實現絕對安全的通信，而量子通信技術就能夠非常完美的實現這一夢想。過去的十年里，「互聯網+」改變了我們的生活，而現在「量子+」正在改變互聯網。
作為世界頂尖的前沿科學技術，潘建偉院士和他的團隊在量子通信的研究道路上遭遇過怎樣不為人知的挫折？在歐美眾多實力強勁的國家中，潘建偉團隊為何選擇奧地利作為量子通信項目的合作夥伴？作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的並跑者乃至領跑者，而在此過程中我國量子通信技術的發展過程中又有著怎樣里程碑式的事件？
更多關於量子衛星的最新獨家報道，我們邀請到了中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉進行了專題訪問。
圖1 中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉
尖端科技背後的故事
量子通信是基於量子力學基本原理的前沿技術。近年來，以潘建偉團隊為代表的中國科學家在量子通信領域取得了舉世矚目的重要科研成果，在尖端科技發展的過程中，我國科學家都經歷了哪些不為人知的挫折和磨難？尖端科技的背後又隱藏著怎樣的技術難題？
潘建偉介紹說，在量子通信技術的研發過程中，單個光量子的製備和探測是主要的兩個技術難題。首先，製備單個光量子的技術難題。潘建偉舉了一個非常形象化的例子來解釋這一關鍵技術的難度：一個普通的十五瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可以達到百億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這百億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個，技術難度可想而知。另一個難題是單光子的探測。單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的製備和探測的能力後，我們就可以用來實現安全的量子通信了。
量子信息的應用除了實現無條件安全的通信外，還可以帶來計算能力的飛躍，這就需要第二種能力，把一個個的單量子糾纏起來。量子計算機的能力是隨著糾纏粒子數目呈指數增長的，比如有100個粒子的糾纏，每個粒子可以處於「0」和「1」的相干疊加，100個糾纏的粒子就可以同時處於2100個狀態的疊加，這就相當於同時對2100個數進行操縱，計算能力就大大提升了。把一個個粒子糾纏起來需要對它們之間的相互作用進行精確的控制，同時還要保證克服環境的干擾。潘建偉團隊通過一種名為「光晶格」的實驗裝置來成功攻克了這一技術難題，而「光晶格」捕捉單個原子的技術原理就如同把雞蛋逐個放入蛋槽的過程，每個光晶格中只能容納一個原子，再人為控制這些原子的相互作用，使得它們糾纏起來。雖然現在的技術水平已經發展到可以操縱數百個原子，但是想要實現數百個原子之間的量子糾纏態還有很長的路要走。潘建偉解釋說，如果能夠將幾百個原子糾纏在一起，就可以演示量子計算機的基本功能了。
圖2 量子糾纏態
奧地利——夢開始的地方
據了解，此次「墨子號」量子通信衛星包含了國際合作任務，並且選擇了奧地利作為首個國際合作夥伴。
為何偏偏選擇奧地利？這還要從潘建偉的求學經歷說起。
在中國科學技術大學學習期間，潘建偉第一次領略到量子世界的奇妙。但隨著研究的深入，他越發意識到量子理論中的各種奇特現象需要更加尖端的實驗技術和條件才能夠得到驗證，而當時國內在這方面還相對落後。於是1996年潘建偉來到奧地利因斯布魯克大學，師從奧地利物理學家Anton Zeilinger攻讀博士學位。那時Anton Zeilinger教授已經建立了量子實驗室，並且是量子物理學領域的國際權威。在這裡，潘建偉和同事們完成了國際上首次實現光子的量子隱形傳態的實驗，這被認為是量子信息實驗領域的開端。此後幾年內，潘建偉和同事們又先後實現了一系列量子信息領域的先驅性實驗，這些寶貴的經歷為以後潘建偉在量子通信領域的突破性貢獻奠定了堅實的基礎。潘建偉對奧地利的特殊感情還不止於此。潘建偉在奧地利求學期間，一直得到了奧地利外交部和學術交流機構的資助。博士畢業後，潘建偉又繼續在維也納大學實驗物理所從事博士後研究，而維也納大學正是薛定諤等量子力學的奠基人工作過的地方，無疑是量子力學的「聖地」之一。
所以，當昔日的老師主動提出加入到我國的量子衛星計劃中來的請求後，順理成章地，奧地利就成了量子科學實驗衛星項目的第一個國際合作夥伴。潘建偉提到，量子科學實驗衛星會向全世界開放，在奧地利之後，德國、義大利、加拿大等國的團隊也主動請求加入。
圖3 「京滬幹線」城域網的建設
追尋量子通信發展的軌跡
潘建偉曾經在接受採訪時談到，作為量子通信領域的技術強國，中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的並跑者乃至領跑者。回顧中國量子通信領域的發展歷程，成績的取得當然離不開先輩科學家們孜孜不倦的奮鬥與拼搏。
潘建偉表示，我國在量子通信領域的研究起步較早，在上世紀90年代初就有如郭光燦院士、張永德教授等老一輩科學家對該領域發展的密切關注，並且中國科學技術大學已經發表了一些該領域的文章。
潘建偉強調說，中國量子通信領域之所以能夠發展到今天這一步，與當時中科院與時俱進的敏銳眼光密切相關。比如，在他2001年回國組建實驗室時，一切都是從零開始。當時向中科院申請了200萬經費，而當時的中科院基礎局卻撥了400萬。在中科院的重視和支持下，實驗室的發展速度非常快，很快就有了一批由中國人完成的量子信息領域的重要成果。在那之後，從2004年起，中科院的支持力度又進一步加大。
同時，國內其他團隊也發展起來了。從2005年的時候，國家的重大研究計劃也開始注意到了量子調控，當時在中科院物理所的於淥院士、南京大學的閔乃本院士等建議下，量子調控成為國家重大研究計劃的內容，到目前這一計劃已經執行了十餘年。正是由於國家的重點扶持，我國的量子通信技術才得以快速發展。
近年來，中科院啟動量子衛星項目，國家發改委啟動「京滬幹線」項目，為量子通信技術實現跨越式的發展注入了長足的動力。但同時潘建偉也表示，歐美等國家也相繼啟動了包括量子通信在內的量子專項計劃，政府也給予了大力支持，所以我國在未來能否持續搶佔量子通信領域的領跑地位，還需要不斷創新不斷前進。
量子通信是目前為止唯一被嚴格證明可提供無條件安全的保密通信手段。隨著我國發射全球第一顆量子實驗衛星以及「京滬幹線」的建成,都將奠定中國在量子通信領域的領跑地位。目前，在量子通信領域，無論是科學研究還是實際應用，我國都已處於世界領先水平，我們也期待著，量子通信從理論到實驗再到實踐的完美蛻變。
出品：科普中國
製作：潘建偉 中國科普博覽
監製：中國科學院計算機網路信息中心
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